论文部分内容阅读
GPU的发展经历了固定功能流水线、可编程染色器、统一渲染架构三个阶段。国外对GPU的研究起步很早,具有完备的理论体系,形成了完善的产品体系,在图形处理的标准制定、核心算法以及电路实现、核心处理IP以及产品实现等核心技术方面具有垄断地位。我国GPU研究起步相对较晚,技术能力相对滞后。本课题来源于国家部委项目,研究了图形处理器3D管道渲染相关技术,以满足嵌入式领域应用。论文分析了OpenGL图形流水线模型以及3D引擎渲染管线核心算法,通过应用特点分析,设计了3D引擎渲染管线的软硬件协同流水线和电路体系结构,规划了3D引擎电路的软硬件实现策略,完成了包括顶点处理、统一染色阵列电路、图元装配电路、光栅化电路、像素处理单元电路等关键模块的详细电路设计。针对电路体系结构和具体电路功能,设计了验证方案,并构建了基于虚拟原型和FPGA原型的两种验证平台;虚拟原型验证平台依据模型层级的特征,采用不同抽象层级语言进行描述,顶层采用C或C++语言,驱动层采用SystemC语言,底层采用System Verilog、Verilog进行周期精确的行为级建模,实现了对3D引擎相关的215个OpenGL函数的映射,通过层次化模型高效生成测试激励,实现了对于OpenGL 3D引擎相关功能、性能验证,在保证验证精确度的前提下有效提升了验证效率;FPGA验证平台采用两片XILINX公司的XCVU440 FPGA芯片,根据各模块电路之间的信号连接特性,辅助采用EDA逻辑划分编译软件将3D引擎渲染管线逻辑电路映射至两颗芯片中,一颗FPGA芯片用于实现统一染色阵列和纹理处理电路功能,另一颗FPGA实现3D引擎电路其余功能,同时充分考虑嵌入式应用场景对3D引擎渲染管线的数据传输能力、顶点处理能力、几何处理能力、像素处理能力要求,在验证中进行了相关功能、性能验证,FPGA原型运行速率30MHz及模拟仿真可达600Mhz,像素填充率为4G/s,Tri生成率为150M/s,满足本项目应用要求。